矿井瞬变电磁定点三维立体超前探测技术

2019-03-20邢修举

煤矿安全 2019年2期

邢修举

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

矿井生产常遇到的导含水构造造成突水的有断层突水、陷落柱突水、裂隙岩体突水、封闭不良钻孔突水、煤(岩)柱突水。矿井水害是可以防治的，只要搞清矿井的充水特征，并采取适当的工程措施，不仅可以安全采出受水威胁的煤炭资源，而且能够提高矿井防治水技术水平[1-4]。目前较有效的矿井地球物理勘查方面来说主要有以下几种方法：矿井地震勘探、矿井电法勘探、探地雷达法、无线电波透视法、微重力测量、磁法勘探、放射性测量和红外测温法等多种方法[5-8]。其中矿井瞬变电磁法以其体积效应小、工作效率高、纵横向分辨率高和对低阻反应灵敏等优点在探测煤矿巷道前方及工作面顶底板和工作面内导（含）水异常体构造中的应用越来越广，且效果显著[9-12]。矿井瞬变电磁法技术发展近20年来，在掘进工作面的探测技术主要是1～3扇形断面探测，来分析前方一定体积范围内含富水性，工作面内部或者顶底板含富水性是在该工作面2个巷道布设等间隔10～20 m的测点、每个测点布设1～4个角度进行探测，其解释方法均是二维的断面图，对其探测区域内的异常区分布不能给出较准确的范围及异常形态。对于传统矿井瞬变电磁探测技术这些问题，通过系统的设计掘进工作面三维立体探测技术和处理显示技术，能够对掘进工作面前方构造异常体范围、空间发育形态等特征形象、直观地显示出来，具有较好的技术指引作用。

1 瞬变电磁三维立体探测技术

1.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法是一种时间域瞬变电磁法，矿井中主要使用不接地磁欧源装置形式，在1个线圈中通一间歇性电流，在间歇期间，另1个线圈接收来自发射线圈激发煤层及周围岩体产生的二次场电磁感应信号，该信号的信息是掘进工作面（回采工作面侧帮）附近煤层、岩层等地质体的综合信号响应，结合已知地质情况，通过对信号的分析来达到分辨掘进工作面（回采工作面内部）前方地质体内含水构造的规模及赋存形态等情况。多匝小回线装置可以最大限度地靠近目标体进行多角度、多方位的探测这也是其具有一定方向性的依据。由于巷道全空间影响，测量的电磁感应信号为巷道掘进工作面顶板、底板、掘进工作面前方及后方周围空间的综合电磁感应，巷道内瞬变电磁响应可近似等效为同时向上、向下及向外扩散电流环，即双“烟圈效应”，掘进工作面瞬变电磁烟圈效应示意图如图1。

图1 掘进工作面瞬变电磁烟圈效应示意图

1.2 定点三维立体探测技术

掘进工作面三维探测的定义：通过使用边长为2 m的多匝方形收发装置在距离掘进工作面0.4 m、距离巷道底板0.3 m的巷道中心位置，设计等间隔或者不等间隔角度的密集散点对掘进工作面前方一定体积范围内的导含水构造体进行三维立体探测。为了更形象的对三维数据进行采集，将其分布到不同角度的扇形断面上（图2，可根据目标体的需要调整α与顶底板的夹角），数据剖面说明见表1。

没有设计垂直巷道顶底板的扇形剖面，是由于在探测过程中受巷道条件该采集条件受巷道底板影响较大，在处理结果中容易出现靠近底板的假异常，给资料解释造成困扰。

图2 二维扇形断面示意图

表1 数据剖面说明

回采工作面三维探测定义：工作面形成后三维瞬变电磁探测是在该工作面2个巷道进行采集，设计间隔10 m或者20 m等间隔的测量点，在每个测量点再设计与工作面侧帮成不同夹角的多个探测方向对工作面顶底板及内部的富水区分布等进行探测，最终将两条巷道探测数据进行在同一空间坐标系下的整理，形成对工作面顶底板一定范围内的三维立体探测。

1.3 资料处理

对于采集的原始数据导入电脑进行重复数据的挑选、剔除畸变点、数字滤波、感应电位-时间的对应关系转换成视电阻率值-时间的对应关系、时深转换计算每个时间道对应的深度、处理成图。

全空间视电阻率ρτ计算公式：

式中：C为全空间校正系数；FS、JS分别为发射与接收回线等效面积；UV为接收的归一化二次场电位；t为接收的二次场衰减时间。

全空间瞬变电磁深度Hf计算经验公式为:

式中：n为发射线圈匝数；I为发射电流；L为发射回线边长；ρ为t时刻计算的视电阻率；η为未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信号。

最终成果图需将常规的二维扇形坐标转换成三维立体坐标（x轴表示巷道掘进工作面的水平方向，m；y轴表示巷道掘进工作面沿开挖方向，m；z轴表示巷道掘进工作面垂直方向，m）。将每个点的深度-视电阻值换算成对应的扇形坐标系对应的位置，然后把多个扇面的数据离散化到对应的三维空间中，从时深反演处理得到的视电阻率深度数据转换成三维笛卡尔坐标系下的散点数据。将整理好的三维数据体使用反向距离插值方法对所获得的离散数据点进行插值处理，然后在三维空间内对数据进行网格化处理，最后基于所获得的网格化数据在三维空间内进行成图。

2 导含水构造的物理模拟

2.1 模拟原则

对于煤矿常见的导含水构造：断层、陷落柱、构造破碎带等地质问题，选用导电性良好的铜质物体依据一定的尺寸和这些导含水构造常见形态似模拟其三维立体空间瞬变电磁响应特征。

模拟时需在实验室中以某种比例尺复制地质模型，实验室模型的电学参数一般也应按一定的比例改变，观测线圈也要微型化。电磁法的物理模拟所遵守的相似准则是从麦克斯韦方程出发推出的，对于时间域瞬变电磁场的物理模拟基本公式：

式中：σ为电导率；L为所有线型尺度；角标m表示模拟系统；角标f表示被模拟的野外系统；k为线性比例尺，又称为缩比系数。

在模拟试验中目的物的大小、埋深等线性尺度均应按此比例设置，小尺寸的模型需有足够高的电导率，并满足电导率与线型长度的平方的乘积为常数，则物理模型的响应特征与相应的实验条件下的响应特征一致。

2.2 模拟设计

使用长方体的铜柱作为陷落柱的模型、长方体的铁块作为断层和含水破碎带，异常体参数见表2。

表2 异常体的参数

模拟实验选用澳大利亚生产的Terra TEM仪器，该仪器可以在安全发射电流内任意匹配响应的收发装置。收发线圈主要由框架和多匝回线圈组成，采用中心回线装置形式，其中天线框架采用透明的有机玻璃板制作而成。发射线圈及接收线圈均采用直径0.45 mm规格铜质漆包线，发射线圈为边长20 cm方形、30匝，接收线圈为边长4 cm方形、100匝。

2.3 模拟结果

铜柱距离探测位置25 cm视电阻率等势面三维空间显示图如图3。图3中，探测角度 1、2、3、9、10、11号探测方向在视电阻率等势面空间异常凸显没有显示，也就是这6个探测方向探测不到掘进工作面正前方的异常体。从4号与8号探测方向开始，响应幅值开始增强，5～7号探测方向上的响应幅值最强。根据这一响应规律，可以判断4～8号探测方向均能探测到掘进工作面正前方的异常体，响应幅值的强弱决定于线圈与异常体的耦合程度，当线圈法线方向垂直指向异常体时，一次场与异常体的耦合最强，此时激发的二次场响应也最强，如5～7号探测方向；当线圈旋转，其法线方向开始偏离异常体时，一次场与异常体的耦合程度减弱，相应接收到的二次场响应幅值减弱，如2、3、9、10号探测方向。

图3 视电阻率等势面三维空间显示图（铜柱距离探测位置25 cm）

铜柱距离探测位置45 cm视电阻率等势面三维空间显示图如图4。图4显示的响应规律与图3几乎一致，只是响应的异常幅度较图3弱，整体的响应规律一致。模拟断层及破碎带的响应规律异常等势面图如图5，整体的响应规律与图3、图4一致，但在纵向响应范围发生一定的变化，在横向响应的范围也变大，与实际设计的板状体范围一致。

图4 铜柱距离探测位置45 cm视电阻率等势面三维空间显示图

图5 视电阻率等势面三维空间显示图（铁板距离探测位置45 cm）

通过异常地质体不同空间位置的瞬变电磁响应物理模拟，可以直观的得到如下结论：

1）从图3～图5中可以看出，当收发装置正对着异常体时，其视电阻率值最低，当收发装置偏离异常体时，视电阻率开始变大，异常幅度变弱；异常体不在收发装置探测范围时，视电阻率等值较高。这也说明了小线圈瞬变电磁探测具有一定的方向性。

2）从图3～图5中可以看出，异常的形态和设置的异常形态有一定的区别，但异常的中心位置一致。说明瞬变电磁探测成果的异常边界范围与实际的会有一定的误差，但异常响应的中心位置准确。

3）从图3～图5中可以看出，异常的阈值与设置的实际视电阻率值有较大区别，说明瞬变电磁探测视电阻率值是综合的地电反应，异常阈值的选择应根据探测区域的地质条件综合情况来选取。

3 应用实例

平朔井工一矿是平朔集团的主力生产矿井，19108工作面是太西采区9煤组第3个工作面，工作面长度3 130 m，宽度300 m。19108工作面顶底板主要含水、隔水层及与9煤层的位置关系示意图如图6。19108工作面顶板的直接充水含水层为4煤与9煤之间砂岩含水层，根据9煤层平均13.62 m的厚度计算，预计垮裂高度85 m，工作面上部为14108工作面采空区，距离9煤平均50 m，受采动影响，上部K3等砂岩含水层通过垮落裂隙带影响19108工作面，特别是在普23孔向斜轴部易形成4煤采空区积水危险区。底板含水层有K2砂岩层，奥灰岩含水层等，井田内奥灰水位标高为1 060 m，工作面整体标高低于奥灰水位，属带压开采，在大的断层构造及可能存在的陷落柱区域存在导通奥灰含水层，出现突水的危险。

图6 19108工作面顶底板主要含水、隔水层与9煤层的位置关系示意图

根据前期19108工作面的音频电穿透物探异常区的钻探验证，在工作面靠近辅运巷的F17测量点向西15～45 m，工作面内30～70 m范围，打钻出水量大，出水来源不明，钻孔设计及钻探情况见表3，由于属于带压开采，存在底板奥灰含水层突水隐患。现用三维瞬变电磁法对打钻出水地点进行探测，来查明该区域异常体的范围和在煤层顶底板的分布情况。

表3 钻孔设计及钻探情况

依据打钻出水情况，物探施工设计：①在19108辅运巷的F17测量点以该测量点为中心，以间隔5 m为1个测量点向东西方向各进行20个测量点，在每个测量点设计仰角20°、10°，顺煤层，俯角10°、20°、30°、40°、50°等共计 8 个探测方向；②在 19108辅运巷的F17测量点向西30 m的避车硐室设计扇形超前探测，共设计仰角30°、15°，顺煤层，俯角15°、30°、45°、60°等探测角度。

沿19108辅运巷侧帮探测和避车硐室扇形超前探测综合处理后的异常空间正视图如图7。从图7可以看出，该异常成锥状形态，发育到煤层顶板上方15 m尖灭，在探测区域内发育到地板下50 m范围仍然在发育，其形态与陷落柱一般发育形态吻合。

图7 综合探测结果视电阻异常体等势面正视图

资料提交后，矿方经过加孔疏放和注浆加固底板等工作，现该工作面已顺利越过该陷落柱，依据回采情况，顺煤层陷落柱的范围与瞬变电磁法探测水平切片范围基本一致（图8）。说明对于超宽工作面内部的导含水构造，特别是陷落柱等使用音频电穿透进行普查，根据钻探资料再使用矿井瞬变电磁定点三维探测法进行详查的组合方法对该类问题的有效性，为物探方法的合理使用和对该类问题的提前探测提供了良好的技术参考。